稀土元素Ce、Nd對AZ91鎂合金顯微組織、顯微硬度及起燃溫度的影響

王志峰，丁 儉，李永艷，趙維民

（河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300130）

稀土元素Ce、Nd對AZ91鎂合金顯微組織、顯微硬度及起燃溫度的影響

王志峰，丁 儉，李永艷，趙維民

（河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300130）

主要研究了稀土元素Ce和Nd對AZ91鎂合金顯微組織、顯微硬度以及起燃溫度的影響，結果表明：隨著Nd、Ce添加量的增多，合金中層片狀共晶相減少，塊狀析出相增多，這主要是由于稀土元素優先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素而形成“Al－稀土”化合物造成的。AZ91合金的起燃溫度和顯微硬度并不隨某一種或復合稀土元素含量的增加而單調變化，合金顯微硬度與燃點間的關系也并非高低相對應，AZ91－3.0%Ce－1%Nd合金在兩數據上達到了最佳的匹配，有較好的應用前景。

鎂合金；起燃溫度；顯微硬度；稀土

鎂合金是目前應用中最輕的金屬結構材料[1]，在我國國民經濟的各個領域正發揮著越來越重要的作用。特別是鎂合金被制備成汽車材料和“3C”電子產品等材料，每年的需求量非常大。隨著節能減排工作的進一步進行，更多領域的鋼鐵材料、鋁合金材料及塑料制品被鎂合金材料所取代，從而大大降低了合金在熔煉過程中的耗電量和污染氣體的排放量。此外，這些鎂制品應用到汽車零部件，將對汽車減重、節油起到重要作用，并可進一步降低汽車尾氣的排放量。鎂合金將成為21世紀重要的輕質高強度材料之一[2]。

然而，鎂及其合金燃點低、易燃燒，在生產中造成了不便，并影響了鎂制品產量的提升。通常為解決鎂熔煉中的易燃問題，各企業采用氣體保護法[3]、溶劑覆蓋法[4]、合金化阻燃[5]等方法，或幾種方法的結合使用。其中氣體保護法最為有效，但卻提高了設備的成本，也產生了更多的溫室氣體，不利于環保。溶劑覆蓋法需要在合金熔煉過程中不斷向熔體表面添加覆蓋劑，這些覆蓋劑有可能在合金中形成夾雜或夾渣，從而可能影響合金的機械性能。此外覆蓋劑高溫下產生的有害氣體將嚴重污染環境并損害人體健康[6]。而向鎂合金中加入阻燃元素以提高合金燃點的辦法正被越來越多的應用，尤其是部分阻燃元素同時能起到提高合金力學性能的作用。因此，合金化阻燃方法被眾多學者所研究，也被更多的鎂制品企業所采用。雖然該方法形成的保護膜僅能在靜態下實現阻燃，而在動態液體流動中仍需一定量的氣體作為保護，否則將發生燃燒，但合金化阻燃方法和氣體保護法的結合使用，可大大降低保護氣的添加量，從而降低溫室氣體的排放量。

在過去的研究中[7－9]，更多的是側重阻燃元素對純鎂起燃溫度的提升作用，而對常用鎂合金的燃點影響研究較少，特別是對兩種阻燃元素復合添加的效果研究不系統，還存在較大的研究空白。本文即是基于此，通過大量實驗，研究了Ce、Nd兩元素的復合添加對AZ91合金顯微組織、顯微硬度及起燃溫度的影響，為商業AZ91合金的生產提供重要的數據支持。

1 實驗內容及方法

實驗使用99.95%的工業純鎂，99.95%的工業純鋁，99.95%的鋅錠，99.98%的電解錳片，以及Mg－29.12%Ce、Mg－29.35%Nd中間合金來熔配AZ91合金（成分為 9.2%Al，0.7%Zn，0.2%Mn，＜0.05%Si，＜0.02%Cu，＜0.004%Fe，余量 Mg）以及 AZ91－RE（RE=Ce、Nd）合金。熔煉過程在石墨坩堝中，于帶保護氣的SG2－5－10A型坩堝式電阻爐中進行。熔體攪拌一段時間待成分均勻后，被澆注進鑄鐵模具中，隨后制備出?12mm×15mm的試樣進行組織分析、硬度測試以及燃點測試。使用X射線分析儀對合金凝固相進行確定。使用帶能譜分析（EDS）的掃描電鏡（SEM）分析合金的顯微組織和相的元素組成。采用HXD－1000型顯微硬度測試儀對試樣進行顯微硬度測試。使用WRE型熱電偶和PCLab Card series USB－4718 數據采集卡在 SG2－1.5－12型電阻爐中進行試樣的燃點測試，爐體升溫速率設定為4℃/min。由于鎂合金（液）燃燒后釋放大量的熱，會在時間-溫度曲線上出現明顯的拐點，曲線上的拐點即是該合金的起燃溫度即燃點。

2 結果與討論

典型AZ91D-Nd合金的顯微組織如圖1所示，合金的顯微組織主要由灰色基體、層片狀共晶和塊狀析出相組成。XRD分析顯示，合金凝固相主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、以及Al2Nd相構成。EDS進一步分析可知，灰色基體為100%的α-Mg相，較為明亮的層片狀組織為共晶α+β相，最明亮的塊狀組織為Al2Nd相。對比不同含Nd量的AZ91D-Nd合金的顯微組織，發現隨著Nd含量的增多，消耗了合金中的鋁元素，使得β相減少，而塊狀的“鋁-稀土”相數量增加、尺寸增大，且產生偏聚，造成合金組織和成分不均勻，易引起應力集中，導致合金力學性能下降。同時還有可能增加合金的黏度，造成流動性下降，導致鑄造缺陷增多，將會在一定程度上降低合金的力學性能。

AZ91D-Nd-Ce合金在凝固過程中，鈰和釹分別優先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素，而生成AlmCen和AlmNdn化合物。因而合金凝固組織中β相大大減少，塊狀相大量分布。根據XRD檢測結果，可確定合金組織中含有的相為α-Mg、β相、Al2Nd和Al4Ce，而所析出的塊狀相應為Al2Nd和Al4Ce。

如圖4所示為Ce和Nd復合添加時兩者的添加量對AZ91合金顯微硬度的影響三維關系圖。由圖可見，AZ91鎂合金的顯微硬度并不是隨某種稀土元素含量的增加而單調增加，也不隨兩者添加量總量的提高而單調變化。合金的顯微硬度大小取決于兩種稀土元素的共同作用。由于稀土元素原子半徑較大，當兩種稀土元素混合添加進AZ91合金中時，只有當它們匹配比例合適時，才能起到好的增強作用，否則大塊的析出物過多會導致合金中孔隙的形成，從而不利于硬度的提升。由圖4可知，實驗中AZ91-1.0%Nd-3.0%Ce合金的顯微硬度最高，比原始AZ91硬度提高了HV34。分析其顯微硬度值比基體增高的原因主要是當第二相質點彌散在基體中時，可以阻礙位錯的運動，從而使材料強化，顯微硬度提高。同時，材料的硬度與材料的密度也有密切的關系。稀土氧化物能夠填充鎂合金表面疏松的MgO孔隙[10]，使得合金表層密度增大，對硬度有一定的提升作用。

由圖5可知，AZ91合金的起燃溫度也并不隨某一種或復合稀土元素含量的增加而單調變化，甚至個別情況下，某種稀土元素的添加反而降低了合金的起燃溫度。Ce含量為3.0%的一組AZ91合金的起燃溫度提高最多，使合金燃點提高超過20℃。AZ91-3.0%Nd-1.0%Ce這組成分下，合金的起燃溫度最高，達到586℃，比原始AZ91合金提高了約30℃。

綜合對比圖4和圖5可發現，合金硬度大小與燃點高低間的關系并不對應，即并不一定在某一成分下硬度高，合金的起燃溫度就高。個別情況，AZ91-3.0%Nd-1.0%Ce這組成分下，合金起燃溫度是實驗中最高的，而其顯微硬度卻很低。通過多組實驗對比發現，AZ91-3.0%Ce-xNd（x=0，1%，3%）合金燃點和硬度比原始AZ91合金相比均有很好的提升。

3 結論

（1）稀土元素Nd、Ce加入AZ91合金后，合金主要由α-Mg基體相、層片狀共晶相以及析出的塊狀相Al2Nd和/或Al4Ce組成。隨著Nd、Ce添加量的增多，合金中層片狀共晶相減少，塊狀析出相增多，這主要是由于稀土元素優先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素而形成“Al-稀土”化合物造成的。

（2）AZ91合金的起燃溫度和顯微硬度并不隨某一種或復合稀土元素含量的增加而單調變化，而是兩種稀土元素共同作用的結果。當兩元素達到較好的匹配時，才能對燃點和硬度起到提升作用。合金顯微硬度與燃點間的關系也并非高低相對應，實驗發現，AZ91-3.0%Ce-xNd（x=0，1%，3%）合金燃點和硬度比原始AZ91合金相比均有很好的提升，尤其是AZ91-3.0%Ce-1%Nd合金在兩數據上達到了最佳的匹配。

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[3]Guoqiang You，Siyuan Long，Rongfei Li.Effective Protection of Magnesium Melt Surface from Oxidation Using HFC125-Containing[J].Materials Science Forum，2007，546-549:119-122.

[4]翟春泉，丁文江，徐小平.新型無公害鎂合金熔劑的研制[J].特種鑄造及有色合金，1997（4）:48-50.

[5]王志峰，趙維民，李永艷，等.Mg-3.2Y-0.9Ce合金氧化膜形成熱力學研究[J].中國鑄造裝備與技術，2008（6）:26-29.

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[9]樊建鋒，楊根倉，程素玲.稀土阻燃鎂合金的高溫氧化動力學研究[J].稀有金屬材料與工程，2004，33（12）:1266-1269.

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Effect of RE Ce、Nd on Microstructure、Microhardness and Ignition Point of Mg Alloy AZ91

WANG ZhiFeng，DING Jian，LI YongYan，ZHAO WeiMin
（School of Materials Science and Engineering Hebei University of Technology，Tianjin 300130，Tianjin China）

The effect of rare earth elements Ce and Nd on microstructure，microhardness and ignition point of AZ91 Magnesium alloy has been studied.The results showed that the lamellar eutectic phases reduced while massive precipitated phases increased with the increasing additions of Ce and Nd.This phenomenon can be attributed to the change of the combined elements with aluminum.The Al-rare earth compounds preempted parts of β-phases.The values of microhardness and ignition point of AZ91 alloy do not monotonically change with the additions of one or two rare earth elements.Moreover，it is not consistent between the alteration trends of microhardness and ignition point of AZ91 alloy.AZ91-3.0%Ce-1%Nd which is the optimal composition in the two kinds of evaluating data has prosperous application future.

Mg alloy；Ignition point；Microhardness；Rare earth

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）04－4

河北省自然科學基金青年科學基金項目（E2010000121）

2011－01－19

2011－008

王志峰（1982－），男，博士研究生，研究方向：輕合金及其加工技術